火灾后混凝土损伤超声诊断方法及应用研究

论文摘要

我国人口众多建筑密集,是建筑火灾多发国家之一。火灾除了造成人类生命和财产的巨大损失之外,对建筑物本身的影响也是非常严重的。因此了解火灾高温对混凝土结构的影响,检测火灾后混凝土损伤是提高火灾后建筑物的再利用率,减少火灾带来财产损失的一个关键问题。所以,对于占建筑物材料绝大多数的混凝土结构在火灾后的缺陷检测就显得尤为重要。超声结构损伤诊断技术是当前结构工程学科十分活跃的研究领域并有广阔的工程应用前景。小波分析是一种新的时频两维分析方法,在信号的消噪和奇异性检测中有着广泛的应用,相关的理论和技术正在不断完善。本文着重对小波分析方法在超声检测信号处理中的应用进行了研究。主要研究内容有:(1)根据损伤力学及弹性波的传播理论,结合火灾后混凝土结构损伤的特点,建立了火灾后损伤混凝土介质模型,推导出了火灾后混凝土构件中的波动方程;获得了超声波在火灾后损伤混凝土中传播的规律。(2)采用小波分解去噪后再重构的方法,可在基本不损害原信号的前提下很好地消除信号中的噪声,易于火灾后混凝土损伤的识别。(3)采用奇异性理论处理接收的超声信号,通过小波变换找出信号的奇异点,奇异点的时间参数对应结构中的位置参数和损伤位置,计算出奇异点的Lipschitz指数,判断火灾后混凝土内部缺陷的位置及参数。(4)开发了便携式火灾后混凝土损伤超声检测仪,采用干耦合换能器可提高检测速度,提高了检测效率和检测精度。(5)对超声回波信号进行小波包变换处理,运用BP神经网络对火灾后混凝土结构损伤进行快速诊断,得到结构的损伤程度。该方法简单易行、精度高,可以在实际检测中推广应用。本文研究成果,对超声检测技术在火灾后混凝土结构损伤检测领域中的应用具有一定的指导意义。经过研究不断完善的混凝土超声检测技术,可以更综合直观地获得火灾后混凝土结构内部质量的准确评估。对普通的混凝土缺陷检测也可推广应用,在有效检测和提高混凝土结构工程质量方面有着良好的推广应用前景。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究的背景及意义
• 1.2 火灾后混凝土结构损伤检测技术国内外研究现状及发展趋势
• 1.2.1 混凝土无损检测技术的形成与发展
• 1.2.2 火灾后混凝土缺陷检测主要技术方法
• 1.2.3 超声波检测火灾后混凝土损伤优点及不足
• 1.3 超声回波信号的分析与处理技术概述
• 1.3.1 超声信号分析与处理定义
• 1.3.2 基于小波变换的超声信号分析与处理
• 1.4 本文的研究思路及主要研究内容
• 1.4.1 本文的研究思路
• 1.4.2 本文的主要研究工作
• 第二章 混凝土损伤模型及超声传播规律
• 2.1 固体介质的类型及性质
• 2.1.1 理想弹性体与（弹）塑性体
• 2.1.2 各向同性介质和各向异性介质
• 2.1.3 均匀介质和层状介质
• 2.1.4 混凝土介质特性分析
• 2.2 混凝土损伤基本特点和已有的混凝土损伤模型
• 2.2.1 混凝土损伤及其破坏机理
• 2.2.2 混凝土损伤的基本特点
• 2.2.3 火灾后混凝土损伤的模型
• 2.3 超声声波在混凝土中的传播规律
• 2.3.1 波的分类
• 2.3.2 波动方程及其近似
• 2.3.4 齐次波动方程
• 2.3.5 非齐次波动方程
• 2.3.6 非齐次波动方程的解
• 2.4 声波在两种介质面上的传播规律
• 2.4.1 声波的反射和折射
• 2.4.2 声波在异质界面上的波形转换
• 2.5 超声波在混凝土中的传播特点烼检测混凝土内部缺陷原理
• 2.5.1 超声波在传播过程中的衰减
• 2.5.2 超声波在固体材料中的散射衰减
• 2.5.3 声波在混凝土中的传播特点
• 2.5.4 混凝土超声检测中的声波
• 2.5.5 超声检测混凝土内部缺陷原理
• 2.6 小结
• 第三章 基于小波分析的火灾后混凝土损伤检测方法研究
• 3.1 小波分析理论
• 3.1.1 小波的发展历史与应用现状
• 3.1.2 连续小波变换
• 3.1.3 二进离散小波变换
• 3.1.4 正交多分辨分析
• 3.2 基于小波分析的超声信号去噪
• 3.2.1 白噪声的特性与信号去噪性能的评价标准
• 3.2.2 压制随机噪声的基本方法及其存在的问题
• 3.2.3 基于小波变换的信号去噪
• 3.2.4 小波去噪方法
• 3.3 小波理论在超声信号奇异性检测中的应用
• 3.3.1 信号奇异性的有关定义和性质
• 3.3.2 用小波变换识别奇异点特征
• 3.3.3 检测奇异性的小波基的选择
• 3.3.4 信号奇异性检测的仿真
• 3.3.5 基于小波分析的超声缺陷特征提取
• 3.4 小结
• 第四章 火灾后混凝土损伤超声检测系统开发
• 4.1 超声波传感器系统
• 4.1.1 换能器的主要技术指标
• 4.1.2 压电换能器
• 4.1.3 压电元件
• 4.1.4 压电换能器的工作方式
• 4.1.5 换能器与被测混凝土的干藕合
• 4.2 硬件电路设计
• 4.2.1 电源电路设计
• 4.2.2 超声波发射控制电路设计
• 4.2.3 阻尼限幅电路设计
• 4.2.4 程控放大电路设计
• 4.2.5 滤波电路设计
• 4.2.6 检波电路设计
• 4.2.7 超声波探伤仪的基本结构
• 4.3 系统软件设计
• 4.4 基于VB的人机界面系统
• 4.4.1 利用VB调用MATLAB的可行性
• 4.4.2 采用Active X自动化技术
• 4.5 仪器在火灾后混凝土梁的检测结果
• 4.5.1 厚度测量数据
• 4.5.2 强度测量数据
• 4.5.3 缺陷测量数据
• 4.6 小结
• 第五章 小波分析在火灾后混凝土简支梁损伤检测中的应用
• 5.1 引言
• 5.2 从超声信号判断火灾后混凝土梁缺陷的原理
• 5.3 实验设计
• 5.4 小波分解
• 5.5 火灾后混凝土梁缺陷的检测
• 5.6 小结
• 第六章 基于神经网络的火灾后混凝土损伤快速诊断
• 6.1 神经网络概述
• 6.2 神经网络的基本结构与函数映射
• 6.3 BP神经网络的算法
• 6.4 基于小波神经网络的火灾后混凝土结构超声检测
• 6.4.1 小波神经网络的构造
• 6.4.2 小波神经网络检测火灾后混凝土内部缺陷
• 6.5 小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 有待进一步研究的问题
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表的论文和参加科研项目